火箭发动机的工作原理是什么？

当大多数人想到马达或发动机时，会认为它们与旋转有关。例如，汽车里的往复式汽油发动机会产生转动能量以驱动车轮。电动马达产生的转动能量则用来驱动风扇或转动磁盘。蒸汽发动机也用来完成同样的工作，蒸汽轮机和大多数燃气轮机也是如此。

火箭发动机则与之有着根本的区别。它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的，该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质，结果会获得另一个方向的反作用力。

开始时您可能很难理解“抛射物质，获得反作用力”这个概念，因为这好像和真实情况不大一样。火箭发动机似乎只会发出火焰和噪音，制造压力，而与“抛射物质”没什么关系。我们来看几个例子，以便更好地了解真实情况：

如果您曾经使用过猎枪，特别是那种12铅径的大猎枪，那么您就知道它会产生巨大的“撞击力”。也就是说，当您开枪时，猎枪会狠狠地向后“撞击”您的肩膀。这种撞击力就是反作用力。猎枪将31.1克的金属以大约1120公里/小时的速度沿某个方向发射出去，同时您的肩膀会受到反作用力的撞击。如果您开枪时穿着轮滑鞋或站在滑雪板上，枪会起到类似于火箭发动机的作用，反作用力会使您向相反的方向滑动。

如果您见过粗大的消防水管喷水的场景，可能会注意到消防员要花很大的力气才能抓住它(有时您会看到有两名或三名消防员手持同一根消防水管)。水管发生的情况与火箭发动机类似。水管向一个方向喷水，消防员们则运用自身的力量和重量来克服反作用力。如果他们放开水管，那么水管会劲头十足地四处乱撞。如果消防员全都站在滑雪板上，水管将推动他们以极快的速度向后移动。

如果您吹起一个气球，然后放开它，那么它会满屋子乱飞，直到里面的空气漏光为止，这就是您制造的火箭发动机。在这种情况下，被抛射出去的是气球中的空气分子。与许多人的想法不同，空气分子其实是有质量的(请查看有关氦的页面，以便更好地了解空气质量的问题)。如果您让空气从气球的喷口中喷出来，气球的其余部分则会向相反的方向运动。

想像下面的情景：您穿着一套太空服，飘浮在航天飞机外的太空中，您的手中恰好有一个棒球。

如果您把棒球扔出去，反作用力会使您的身体朝与棒球相反的方向移动。身体离开的速度，是由您扔出的棒球的质量和您使它获得的加速度决定的。质量与加速度相乘即为作用力的大小(f=m*a)。无论您向棒球施加的力有多大，它和作用在您身体上的反作用力总是大小相等(m*a=m*a)。所以，我们不妨假设棒球的质量为1磅，而您的身体与太空服的总质量为100磅。您以9.75米/秒(33.8公里/小时)的速度将棒球扔出去。也就是说，您用手臂加速质量为1磅的棒球，使它获得33.8公里/小时的速度。您的身体将受到反作用力，但身体的质量是棒球的100倍。因此，它向相反方向运动的速度是棒球的百分之一，即0.098米/秒(0.338公里/小时)。

如果想让棒球产生更大的推力，您有两个选择：增大棒球的质量或提高它的加速度。您可以扔出一个质量更大的棒球，或接连不断地扔出多个棒球(增大质量)，也可以用更快的速度将棒球扔出去(提高它的加速度)。不过，您能采取的方法也仅此而已

火箭发动机通常抛射的是高压气体形式的物质。发动机向某个方向喷出气体物质，以获得相反方向的反作用力。这些物质来自火箭发动机燃烧的燃料。燃烧过程使燃料物质得以加速，使之以极高的速度从火箭喷口喷出。燃料在燃烧过程中由固态或液态转化为气体，但并不会使其质量发生变化。如果您燃烧一斤火箭燃料，那么就有一斤排出物以高温高速的气体形式从喷口喷出。形态发生了改变，但质量则保持不变。而燃烧过程会加快物质的速度。

火箭发动机的“力量”称为推力。在美国，推力的单位是“推力磅数”，而在公制中则以“牛顿”为单位(4.45牛顿的推力与1磅推力相近)。1磅推力相当于使地球上质量为1磅的物体克服重力作用以保持静止所需的推力。在地球上，重力加速度为9.8米/秒2。如果您带着一袋棒球(假设每个棒球的质量为1磅)漂浮在太空中，并且每秒扔出一个棒球，使它与您的相对速度为33.8公里/小时，那么每个棒球将产生相当于1磅的推力。如果您以67.6公里/小时的速度掷出棒球，那么您产生的推力为2磅。如果您以3380公里/小时的速度掷出它们(可能是用某种“棒球炮”来发射它们的)，那么您将会产生100磅的推力，以此类推。

关于火箭，有一个有趣的问题：由于发动机抛射的物体实际上是有质量的，因此火箭必须携带这些质量。因此，我们假设您希望每秒掷出一个相对速度为3380公里/小时的棒球来生成100磅的推力，并持续1小时。这意味着您开始时必须携带3,600个质量为1磅的棒球(因为1小时有3,600秒)，或总质量为3,600磅的多个棒球。由于您穿着太空服时的总质量只有100磅，于是您会发现“燃料”的质量远远大于有效负荷(也就是您)。实际上，燃料的质量是有效负荷的36倍。而这是个常见的现象。这就是为什么目前必须用一枚巨大的火箭来将一个质量很小的人发射到太空——火箭必须携带大量燃料。

大部分发动机靠排出高温高速尾气来获得推力，固体或液体推进剂(由氧化剂和燃料组成)在燃烧室中高压(10-200bar)燃烧产生尾气。

  液体火箭通过泵将氧化剂和燃料分别泵入燃烧室，两种推进剂成分在燃烧室混合并燃烧。而固体火箭的推进剂事先混合好放入储存室，工作时储存室就是燃烧室。固液混合火箭使用固体和液体混合的推进剂或气体推进剂，也有使用高能电源将惰性反应物料送入热交换机加热，这就不需要燃烧室。

  火箭推进剂在燃烧并排出产生推力前通常储存在推进剂箱中。推进剂一般选用化学推进剂，在经历放热化学反应后产生高温气体用于火箭推进。

  化学火箭的燃烧室通常呈圆柱体形，其尺寸要满足推进剂充分燃烧，所用推进剂不同，尺寸不同。

燃烧室的压力和温度通常达到极值，不同于吸气式喷气发动机有足够的氮气来稀释和冷却燃烧，火箭发动机燃烧室的温度可达到化学上的标准值。而高压意味着热量在燃烧室壁的传导速度非常快。

  发动机的外形主要取决于膨胀喷嘴的外形：钟罩形或锥形。在一个高膨胀比的渐缩渐阔喷嘴中，燃烧室产生的高温气体通过一个开孔(喷口)排出。

  如果给喷嘴提供足够高的压力(高于围压的2.5至3倍)，就会形成喷嘴阻流和超音速射流，大部分热能转化为动能，由此增加排气的速度。在海平面，发动机排气速度达到音速的十倍并不少见。

  一部分火箭推力来自燃烧室内压力的不平衡，但主要还是来自挤压喷嘴内壁的压力。排出气体膨胀(绝热)时对内壁的压力是火箭朝向一个方向运动，而尾气向相反的方向。

  要使发动机有效利用推进剂，需要用一定质量的推进剂产生最大可能压力作用于燃烧室和喷嘴，此外以下方法也能提高推进剂效率：

1.将推进剂加热到尽可能高的温度(使用高能燃料、氢，碳或某些金属如铝，或使用核能)；

2.使用低比重气体(尽可能含氢)；

3.使用小分子推进剂(或能分解成小分子的推进剂)；

  因为所有的措施都是出于减轻推进剂质量的考虑;压力与被加速的推进剂量成比例关系;也因为牛顿第三定律，作用于发动机的压力也作用于推进剂。废气出燃烧室的速度似乎是由燃烧室压决定的。然而该速度明显受上述三种因素影响。综合起来，排气速度就是检验火箭发动机效率的最好证明。

  由于空气动力的原因，废气在喷口产生阻流效应。音速随温度平方根增长，因此使用高温尾气能提高发动机性能。在室温下，空气中的音速为340m/s，而在火箭的高温气体中可达1700m/s以上，火箭的大部分性能都是由于高温。加之火箭推进剂通常选用小分子，这也使得在同等温度下，废气中音速高于空气中音速。

  喷嘴的膨胀设计使排气速度翻倍，通常是1.5至2倍，由此产生准高超音速排气射流。速度的增量主要由面积膨胀比决定，即喷口面积与喷嘴出口面积的比值。而气体的性质也很重要。大膨胀比的喷嘴尺寸更大，但能使废气释放更多的热，由此提高排气速度。

  喷嘴效率受工作高度影响，因为大气压力随高度升高而降低。但由于尾气是超音速的，因此射流的压力只会低于或高于围压，不能与之平衡。

  如果尾气压力以围压不同，喷嘴就可以称为完全膨胀，围压或过度膨胀。如果尾气压力以围压不同，喷嘴就可以称为完全膨胀。

  要获得最佳性能，尾气在喷嘴末端的压力需要与围压相等。如果尾气压力小于围压，运载器就会因为发动机前端与末端的气压差而减速。而如果尾气压力大于围压，本该转换成推力的尾气压力没有转换，能量被浪费。

  为了维持尾气压力和围压的平衡，喷嘴直径需要随高度升高而增大，使尾气有足够长的距离作用于喷嘴，以降低压力和温度。而这增加了设计难度。实际设计中通常采用折衷的办法，因而也牺牲了效率。有许多特殊喷嘴可以弥补这种缺陷，如塞式喷嘴、阶状喷嘴、扩散式喷嘴以及瓦形喷嘴。

总结：

液体火箭通过泵或者高压气体使氧化剂和燃料分别进入燃烧室，两种推进剂成分在燃烧室混合并燃烧。而固体火箭的推进剂事先混合好放入燃烧室。固液混合火箭使用固体和液体混合的推进剂或气体推进剂，也有使用高能电源将惰性反应物料送入热交换机加热，这就不需要燃烧室。火箭推进剂在燃烧并排出产生推力前通常储存在推进剂箱中。推进剂一般选用化学推进剂，在经历放热化学反应后产生高温气体用于火箭推进。